Как известно, даже в самых современных СЭУ около половины энергии, выделяемой при сгорании топлива, отдается окружающей среде с уходящими продуктами сгорания и водой, охлаждающей установку. Коэффициент полезно используемого тепла топлива ДВС составляет 35…40 %. Логичным является желание использовать эту теплоту для снабжения потребителей судна. Утилизация теплоты отходящих продуктов сгорания предусматривает получение пара в утилизационных парогенераторах, а теплота воды, охлаждающей главный двигатель — получение пресной воды. Упомянутые способы утилизации теплоты на морских судах являются общепринятыми, так как источники теплоты характеризуются достаточно высоким уровнем температур. В зависимости от типа двигателя температура газов в выпускном коллекторе поршневых двигателей при номинальной нагрузке равна:
для четырехтактных дизелей:
− без наддува 
− с наддувом 
Суммарный коэффициент избытка воздуха лежит в пределах от 2,0 до 2,7.
для двухтактных дизелей:
− с наддувом и контурной продувкой 
− с прямоточно-клапанной продувкой 
Суммарный коэффициент избытка воздуха лежит в пределах от 3,0 до 3,5.
Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива, определяется по следующей формуле:
где 
Величина тепловой мощности утилизируемой теплоты соизмерима с эффективной мощностью двигателя, а утилизация тепла, отводимого с маслом и наддувочным воздухом, позволяет довести коэффициент полезно используемого тепла, вводимого с топливом, до 80…85 %.
Экономия денежных средств очевидна, так как тепло от двигателя не выбрасывается в атмосферу, а непосредственно используется для теплоснабжения объекта, при этом сокращаются закупки топлива для этих нужд. Экономический эффект от применения такой технологии возрастает при ее реализации в условиях постоянного повышения цен на топливо, с учетом затрат на его транспортировку к месту эксплуатации энергоустановки.
Схема утилизационной установки при таком варианте утилизации теплоты отходящих продуктов сгорания представлена ниже. Отображена совместная работа вспомогательного котла ВК и утилизационного парогенератора УПГ (кожухотрубного типа), что исключает нарушение снабжения судовых потребителей паром при уменьшении оборотов и остановке главного двигателя.
Рис. 1. Утилизационная установка
Принцип работы схемы утилизационной установки.
Отработавшие газы главного двигателя последовательно проходят поверхности нагрева пароперегревателя 4, испарительных (кипятильных) змеевиков 2 и экономайзера 1 утилизационного парогенератора 3. Пароводяная смесь из испарительной поверхности УПГ поступает или в паровой коллектор 6 или в сепаратор 7, где отделяется от воды. Вода из водяного коллектора 17 и из сепаратора 7 циркуляционным насосом 18 отправляется в экономайзер 1. Отделившийся от воды сухой насыщенный пар из сепаратора и парового коллектора 6 отправляется в пароводяную магистраль 5, откуда его часть отправляется в пароперегреватель УПГ, а оставшаяся часть идет к потребителям 11, где конденсируется и через водоотделители 12, возвращается в теплый ящик 15. Перегретый пар отправляется в турбину 9 электрогенератора 10. После турбины отработавший пар конденсируется в конденсаторе 13 и конденсатным насосом 14 через охладитель эжектора 8 поступает тоже в теплый ящик (эжектор служит для создания вакуума в конденсаторе, и для его работы используется перегретый пар). Питательный насос 16 подает конденсат из теплого ящика в ВК и УПГ.
Достаточно высокий потенциал имеет также надувочный воздух после компрессоров, имеющий температуру 90÷160°С (его необходимо охлаждать перед подачей в цилиндры для увеличения весового заряда воздуха). Самым простым видом утилизации теплоты отходящих продуктов сгорания является использование этой теплоты для работы водогрейных котлов. Этот вид утилизации применяется на вспомогательных судах, не имеющих потребителей пара.
Наибольшая эффективность такого варианта утилизации достигается при работе утилизационного котла на утилизационный турбогенератор, что позволяет на ходовых режимах частично или полностью отключить дизельгенераторы, что повышает экономичность СЭУ до 12 %.
Опыт утилизации теплоты отходящих продуктов сгорания показал, что в СЭУ с главными двигателями мощностью более 6000 кВт и имеющими температуру отходящих продуктов сгорания за турбинами более 320ºС, утилизационный турбогенератор достигает мощности, позволяющей полностью обеспечивать потребности СЭУ в электроэнергии и производимого пара достаточно для всех судовых нужд.
При наличии в составе СЭУ длинноходовых двухтактных двигателей (которые имеют температуру отходящих продуктов сгорания до 280ºС) даже при мощности более 10000 кВт получить перегретый пар с параметрами и в количестве, необходимом для нормальной работы утилизационного турбогенератора, достаточно трудно. В этом случае применяют систему утилизации, использующую весь комплекс источников бросовой теплоты: отходящие продукты сгорания, надувочный воздух и охлаждающую воду.
В этом случае, для полного использования теплоты надувочного воздуха, охладители выполняют двух– или трехсекционными. При этом первые две секции охлаждаются пресной водой и считаются высокотемпературными, а последняя (низкотемпературная, теплота которой уже не может быть использована) охлаждается забортной водой.
Для повышения эффективности таких комплексных систем утилизации теплоты судовые потребители комплектуют по группам (в зависимости от температурного потенциала бросовой теплоты).
Таблица 1
Судовые потребители
|
№группы |
потребители |
|
1 группа1 |
глубоковакуумные опреснительные установки подогреватели воздуха в системе вентиляции подогреватели конденсата УК |
|
2 группа2 |
подогреватели питательной воды УК подогреватели масла в цистернах подогреватели питьевой и мытьевой воды |
|
3 группа3 |
подогреватели топлива и масла перед сепарацией подогреватели пресной воды системы охлаждения паровое отопление |
|
4 группа4 |
потребители теплоты перегретого пара УК |
1В первую группу входят потребители теплоты системы охлаждения главного двигателя. 2Во вторую группу входят потребители, использующие теплоту высокотемпературных секций охладителей надувочного воздуха. 3К третьей группе относятся потребители, использующие теплоту высокого потенциала. 4Четвертой группой потребителей являются потребители теплоты самого высокого потенциала.
Монтаж утилизационной установки
Технология монтажа зависит от вида крепления и габарита. Утилизационный парогенератор обычно имеет креплением в двух плоскостях, что усложняет координацию фундаментов. Фундаменты горизонтального крепления представляют собой отдельные прямоугольные площадки и реже кольцевые поверхности типа фланцев, параллельные основной плоскости судна. Вертикальное крепление включает опорные площадки фундамента, расположенные перпендикулярно основному горизонтальному креплению.
Парогенератор устанавливают на переходных частях фундамента или применяют компенсирующие подкладки. Базирование его необходимо осуществлять довольно точно, так как в противном случае положение газовыпускного трубопровода главного двигателя придется определять по месту.
Парогенератор испытывают в сборе с арматурой гидравлическим давлением (при Р=11,5 МПа), а с газовой стороны — воздухом (протечки не должны превышать 1 % от расхода воздуха на номинальном режиме работы).
При монтаже утилизационного парогенератора необходимо:
− обеспечить вертикальность парогенератора с отклонением не более 1 мм на 1 м высоты;
− согласовать расположение его с выпускным патрубком главного двигателя;
− выдержать расстояние от парогенератора до корпусных конструкций не менее 10 мм;
− иметь достаточные тепловые зазоры в подвижных опорах.
Литература:
- В. П. Алексеев, В. Ф. Воронин, л. В. Греков. Двигатели внутреннего сгорания. — Ленинград: Машиностроение, 1990. — 284 с.
- Н. Х. Дьяченко. Теория двигателей внутреннего сгорания. — Ленинград: Машиностроение, 1974. — 552 с.
- Н. И. Пушкин, Д. И. Волков, К. С. Дементьев, В. А. Романов, А. С. Турлаков. Судовые парогенераторы. — Ленинград: Судостроение, 1977. — 519 с.
- В. С. Кравченко. Монтаж судовых энергетических установок. —2. — Ленинград: Судостроение, 1975. — 239 с.
- Г. А. Артемов. Судовые энергетические установки. — Ленинград: Судостроение, 1987. — 328 с.
